Euroopan hiukkastutkimuslaitos CERN on tunnettu muunakin kuin Dan Brownin dekkarin Enkelit ja demonit tapahtumaympäristönä sekä World Wide Webin syntypaikkana.

Anna Rintala, Porin suomalainen yhteislyseo

PSYL:n kolmannen vuoden 14 lukiolaista ja kaksi luonnontieteiden opettajaa tekivät matkan CERNiin kansainvälisen fysiikan vuoden 2005 marraskuussa. Tiedeleirikoulussa tutustuttiin CERNiin rakennettavan uuden hiukkaskiihdyttimen rakennustyömaihin, laitoksen tutkijoihin ja kansainväliseen ilmapiiriin.

Sveitsin ja Ranskan rajalla Genevessä sijaitseva maailman suurin hiukkasfysiikan tutkimuskeskus ei näytä ulkopuolisen silmään erityiseltä: erikokoisia harmahtavia rakennuksia satunnaisesti sijoiteltuna osittain aidatulla alueella. Kauempana siintävät Alpit. Vain vartijat porteilla vihjaavat paikan tärkeydestä.

Itsekään en ollut kuullut mitään CERNistä ennen lukion ensimmäistä fysiikan tuntia, jolloin opettajamme Sirpa Rauta maalaili meille loistavia tulevaisuuksia fyysikkoina ympäri maailmaa, muun muassa CERNissä. Seuraavan kerran nimi tuli esille syksyllä 2004, kun Sirpa esitteli meille mahdollisuutta osallistua kolmen päivän mittaiseen tiedeleirikouluun CERNissä. Vastaavia leirikouluja suomalaisille lukiolaisille on järjestetty vuodesta 2002, mutta me olimme ensimmäinen satakuntalainen lukio, joka tarttui tilaisuuteen. Vuoden mittainen valmistautuminen itse matkaan sisälsi muun muassa vierailun Helsingin yliopistolla pidettyyn CERN-juhlakollokvioon, tutustumiskäynnit Jyväskylän yliopiston hiukkaskiihdyttimelle ja Outokummun suprajohdetehtaalle.

Porin suomalaisen yhteislyseon lukion ja Kiuruveden lukion oppilaat ja opettajat ATLAS-koeasemalla. Kuva: Porin suomalainen yhteislyseo

Mitä pienempi hiukkanen on, sitä suurempi mittalaite sen tutkimiseen tarvitaan

Ensimmäisenä tiedeopiskelupäivänä tutustuimme CERNiin yleisesti. Vuonna 1954 perustettu ja nykyisin 20 jäsenmaan rahoittama hiukkastutkimuslaboratorio on Euroopan ensimmäisiä tieteellisiä yhteistyöhankkeita. Kansainvälinen yhteistyö tutkimuslaitoksen suunnittelussa vaikutti suurenmoiselta. Suomi on ollut jäsenenä vuodesta 1991, mutta on osallistunut tutkimukseen aiemminkin. Suomalaisen tietotaidon määrä tuntui hyvin edustetulta. CERNissä tehdään pääasiassa perustutkimusta. Tutkimuksen kohteena on maailmankaikkeuden rakenne: alkeishiukkaset, joista kaikki muu materia ja antimateria koostuu sekä voimat, jotka pitävät näitä hiukkasia yhdessä tai erillään. Hiukkaset, joita CERNissä tutkitaan, ovat miljardeja kertoja pienempiä kuin atomi. Paljain silmin hiukkasia ei voida nähdä, ei edes kaikille koululaisille tuttua elektronia.

	CERN:n tietokonekeskuksen yläkerta. Kuva: Porin suomalainen yhteislyseo

Pääasiallinen tutkimusväline, hiukkaskiihdytin, on laite, jossa hiukkasia kiihdytetään sähkökentillä ja ohjaillaan magneettikentillä. Lopulta hiukkaset törmäytetään toisiinsa. Hiukkasilmaisimet ottavat törmäyksestä ylös dataa, lähinnä törmäyksessä syntyneiden hiukkasten kulkureittejä. Näistä kulkureiteistä fyysikot päättelevät tutkimiaan asioita, kuten hiukkasten massoja.

Iltapäivällä vierailimme CERNiin vuonna 2007 valmistuvaan Large Hadron Collider -kiihdyttimen kahden suurimman koeaseman rakennustyömailla. LHC on yli 27 kilometriä pitkä ja sijaitsee 100 metriä maan alla. Neljää koeasemaa varten maaperään on louhittu kerrostalon kokoisia halleja.

Higgsin hiukkasista antimaterian tutkimukseen

Tiistaiaamupäivän luennot aineen rakennetta kuvaavasta standardimallista sekä hiukkaskiihdyttimistä ja -ilmaisimista syvensivät aikaisemmin oppimaamme.

Esille tuli teoreetikkofyysikoiden ja käytännön kokeilijoiden erilainen suhtautuminen Higgsin hiukkasen etsintään ja mahdolliseen löytymiseen. Teoreetikot laskevat ja ennustavat uusia ilmiöitä, joita kokeilijat vuorostaan pyrkivät löytämään ja osoittamaan todeksi. Toisaalta kokeilijat saattavat löytää sellaista, mitä ei teorioissa esiinny, jolloin teoreetikoiden täytyy sovittaa löydökset teorioihin. LHC-kiihdyttimen päätavoite on löytää Higgsin hiukkanen, joka standardimallin mukaan määrittelee kaikille muille hiukkasille massan.

Iltapäivällä tutustuimme CERNin historiaa esittelevään tiedekeskus Heurekan tapaiseen Microcosmos-näyttelyyn. Keskiviikkona vierailimme CERNin tietokonekeskuksessa. Siellä meille kerrottiin GRID-verkostosta, joka tulee tarjoamaan laskentatehoa ja tallennuskapasiteettia maailmanlaajuisesti. Samalla tavalla CERNissä syntynyt Web tarjosi tutkijoille mahdollisuuden nopeaan ja yksinkertaiseen tiedonvälitykseen. GRID-verkostoa tarvitaan, sillä kokeissa vuodessa syntyvä datamäärä cd-levyille tallennettuna muodostaisi 20 kilometriä korkean pinon.

Itävaltalaisfyysikko Michael Doser esitteli meille antimaterian luonnetta ja tutkimustyötään antimateriakoeasemalla. Antimateria koostuu muuten samanlaisista hiukkasista kuin tavallinenkin aine, mutta antimateriahiukkasilla on erimerkkinen varaus kuin vastaavilla materiahiukkasilla. Aine- ja antiainehiukkasen törmätessä hiukkaset muuttuvat energiaksi Einsteinin kuuluisan yhtälön E=mc² mukaisesti. Antimaterian tutkimusta hankaloittavat vielä monet tekniset ongelmat, joita muun muassa Doser on yrittänyt ratkaista kaksikymmentä vuotta.

Pääsimme kiertämään CERNin antihiukkaskiihdyttimen betonitunnelin, joka on huomattavasti LHC-tunnelia pienempi. LHC:stä poiketen antimateriakoeasemalla hiukkasten nopeutta myös hidastetaan. Antimaterialla on sovelluksia muun muassa lääketieteessä.

Tutustuttiin myös turistikohteisiin

Varsinaiset retkeilypäivät vietimme Chamonix’ssa ja Lyonissa Ranskassa, toisen ennen opiskelupäiviä ja toisen jälkeen. Chamonix oli vaikuttava paikka porilaiseen maan tasaisuuteen tottuneille leirikoululaisille. Linja-autosta ulos päästyämme suuntasimmekin ensimmäiseksi kaapelihissille ja Aguille-du-Midin huipulla olevaan rakennukseen 3 842 metriin. Sää oli mitä kaunein: auringonpaistetta, pikkupakkasta eikä tuulta. Näkyvyys oli hyvä joka suuntaan, alas laaksoon ja viereisille huipuille, kuten Mont Blancille. Alas täytyi tulla siinä vaiheessa, kun osalle ryhmästä suuri korkeus alkoi aiheuttaa huimausta. Loppupäivä kului Chamonix’n kallista ja pikkusievää keskustaa kierrellessä.

Kansainvälisyydestään huolimatta Geneve ei ole suurkaupunki. Mahduttaaksemme ohjelmaamme myös miljoonakaupungin, matkustimme junalla Ranskan toiseksi suurimpaan kaupunkiin Lyoniin. Yhteisen ohjelman sijasta tutustuttiin pienryhmissä ravintoloihin, kauppoihin, katuihin ja nähtävyyksiin, kuten Rooman vallan ajan amfiteatteriin.

CERN-kurssimme päätti koululla vanhemmille pidetty esitelmätilaisuus. Ennen leirikoulua tehtyjä hiukkasfysiikka-aiheisia esitelmiä reippaasti lyhentäessä ja kääntäessä fysiikasta selkokielelle huomasi kuinka paljon kuluneen vuoden aikana olemmekaan oppineet. Esitelmien pidon jälkeen katsellessa koulun aulassa tietokoneella diaesityksenä pyöriviä yli 2000 matkakuvaa tulvi mieliin monia hauskoja hetkiä. Kokonaisuutena kurssi on ollut mahtava, ja olemme kiitollisia kaikille niille yhteistyötahoille, jotka ovat mahdollistaneet matkamme.